專利名稱：軟啟停直流開關(guān)電源及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流開關(guān)電源及其控制方法，尤其涉及一種基于數(shù)字控制的直流開關(guān)電源軟啟停的方法。
背景技術(shù)：
直接由電網(wǎng)供電的直流開關(guān)電源，大多數(shù)的使用場合是輸入電壓高，輸入濾波和輸出濾波的電容值大，在接通電網(wǎng)瞬間將會產(chǎn)生非常大的浪涌電流，不僅會損壞橋式整流二極管，熔化開關(guān)接點，還會使高頻變壓器飽和，損壞功率開關(guān)管。軟啟動電路可以減小電容的充電電流，有效地防止浪涌電流的最大峰值。
目前，直流開關(guān)電源要實現(xiàn)軟啟動通常是在不可控整流部分與直流變直流變換器部分之間專門設(shè)計軟啟動電路，最常見的一種簡單形式就是串連電阻，主要靠軟啟動電路中的電阻來限制輸入的浪涌電流的峰值，但同時在電阻上也會消耗一定的電能。因此傳統(tǒng)的軟啟動電路引入了額外的損耗，導(dǎo)致電源效率不高。而且現(xiàn)有的直流開關(guān)電源未對電源關(guān)斷過程(或者叫停止過程)中電容電壓突變引起的沖擊電流進行限制。
如圖1，現(xiàn)有的直流開關(guān)電源由EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC 3、檢測調(diào)理電路4、驅(qū)動電路5、控制器6組成；EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3依次開環(huán)連接；DC/DC變換器3、檢測調(diào)理電路4、控制器6、驅(qū)動電路5、DC/DC變換器3依次閉環(huán)連接；當DC/DC變換器3的輸出電壓與參考值不一致時將得到自動調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，而提供一種軟啟停直流開關(guān)電源及其控制方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的將交流輸入的能量經(jīng)過功率變換后傳輸?shù)秸撃妇€上，供用電設(shè)備使用。在啟停過程中，檢測直流輸出電壓作為反饋值，按照設(shè)定的軟啟停規(guī)律控制功率變換電路的驅(qū)動信號，使直流輸出電壓按照設(shè)計的規(guī)律變化。所用到的“DC/DC電路”和“功率因數(shù)校正數(shù)字控制模塊”是數(shù)字控制的直流開關(guān)電源的基本單元，無需額外設(shè)計電路，降低了成本；而且數(shù)字控制的軟啟停過程可以根據(jù)需要靈活設(shè)置軟啟停曲線，達到滿意的軟啟停特性，減小對用電設(shè)備的沖擊。
具體地說本發(fā)明是在圖1所示的控制器6采用微處理器(簡稱CPU)，即用CPU來作為控制器6，實現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字控制。將輸出電壓經(jīng)過檢測調(diào)理電路4送給CPU，通過軟件來實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制輸出電壓緩慢上升或下降，抑制輸出電壓的變化率，從而完成電源的軟啟停功能。
1、按照圖2構(gòu)建電路結(jié)構(gòu)，尤其是選用CPU。
2、增加一個產(chǎn)生開關(guān)信號的簡單電路，如圖4，將電源開關(guān)信號送至CPU。
3、為CPU編寫軟件，主要是給電源穩(wěn)壓子程序不斷改寫電壓參考值來控制輸出電壓緩慢上升或下降，其程序流程圖如圖5。
一、軟啟停直流開關(guān)電源如圖2，軟啟停直流開關(guān)電源包括EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3、檢測調(diào)理電路4、驅(qū)動電路5、控制器6；EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3依次開環(huán)連接；DC/DC變換器3、檢測調(diào)理電路4、控制器6、驅(qū)動電路5、DC/DC變換器3依次閉環(huán)連接；當DC/DC變換器3的輸出電壓與參考值不一致時將得到自動調(diào)節(jié)。
如圖3，所述的控制器6由均值計算模塊A、倒數(shù)計算模塊B、電壓PI控制器C、電流PI控制器D、PWM模塊E、第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH、第一乘法器I、第二乘法器J、第一比較器K、第二比較器L組成；其連接關(guān)系是由第一A/DF得到的電源輸入電壓信號一路依次經(jīng)過均值計算模塊A、倒數(shù)計算模塊B得到輸入電壓前饋信號送至第一乘法器(I)，另一路直接送至第二乘法器(J)；由第三A/DH得到的輸出電壓信號送至第一比較器K，與參考值比較得到的差值送給電壓PI控制器C處理，之后電壓PI控制器C輸出信號至乘法器I；送至乘法器I的上述三路信號相乘后得到電流參考信號送至第二比較器L；由第二A/DG得到的輸入電流信號送至第二比較器L，與電流參考信號比較得到的差值送至電流PI控制器D處理，之后送至PWM模塊E；PWM模塊E輸出信號到驅(qū)動電路5。
其工作原理是圖3原本為直流開關(guān)電源中必有環(huán)節(jié)功率因數(shù)校正的數(shù)字控制原理圖，所示的控制策略需要采樣三個量輸入電壓、輸入電流和輸出電壓，分別由第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH來完成。其控制方式為電壓、電流雙環(huán)控制。電壓PI控制器C用來控制輸出電壓，電流PI控制器D用來校正輸入電流，使得電流能夠與輸入電壓同相位，從而達到功率因數(shù)校正的效果。這是常見的數(shù)字式功率因數(shù)校正的控制方案，相關(guān)專業(yè)人員比較容易實現(xiàn)。本發(fā)明正是在這個控制策略的基礎(chǔ)上稍作改進，在軟啟停過程中通過軟件按照期望的電壓軟啟停曲線實時地改變電壓參考值實現(xiàn)電壓變化的軟化，從而減小浪涌電流。這樣既實現(xiàn)了必須的功率因數(shù)校正功能，又實現(xiàn)了軟啟停功能。
二、軟啟停直流開關(guān)電源控制方法包括下列步驟1、為了降低了成本，消除額外損耗，本發(fā)明不需要另外設(shè)計軟啟停電路，而是在現(xiàn)有的數(shù)字控制器上通過軟件設(shè)計在功率因數(shù)校正的程序中不斷改變輸出電壓參考值來實現(xiàn)軟啟停。
2、通過設(shè)置軟啟停曲線，達到滿意的軟啟停特性，減小對用電設(shè)備的沖擊。
在具體數(shù)字控制器的軟件設(shè)計中，巧妙地引入一個軟化系數(shù)p，使得
Vref＝p*Vo其中，Vo為電源啟動完畢后期望的穩(wěn)定直流輸出值，即參考值終值；Vref為電壓參考值0≤p≤1。
3、在軟啟動過程中按照期望的軟啟動曲線(即p相對于時間的一條上升曲線，簡稱p上升曲線)來增加p，直到p等于1就不再增加，從而實現(xiàn)電壓軟上升過程；同理，在軟停止過程中按照期望的軟停止曲線(即p相對于時間的一條下降曲線，簡稱p下降曲線)來減小p，直到p等于0就不再減小，從而實現(xiàn)電壓軟下降過程。
特別地，p上升曲線和p下降曲線是需要經(jīng)過大量實驗得到的，從而獲得啟停速度與減小浪涌電流之間的平衡。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果1、本發(fā)明不用專門設(shè)計軟啟停電路，通過CPU控制程序來實現(xiàn)對電源啟動和停止過程中浪涌電流的抑制，從而減少了額外損耗和成本；2、可以針對不同的負載特性很容易的通過軟件改變軟啟停曲線，以滿足啟停速度與減小浪涌電流的要求，設(shè)計靈活；3、適用于所有數(shù)字化控制的直流開關(guān)電源。


圖1-現(xiàn)有的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖；圖2-本發(fā)明的軟啟停直流開關(guān)電源原理圖；圖3-本發(fā)明的控制器原理圖；圖4-本發(fā)明的電源開關(guān)信號電路圖；圖5-本發(fā)明的CPU程序流程圖；其中1-電磁干擾濾波器，簡稱EMI濾波器；2-不可控整流，簡稱不控整流；
3-直流變直流變換器，簡稱DC/DC變換器；4-信號檢測與調(diào)理電路，簡稱檢測調(diào)理電路；5-驅(qū)動電路；6-控制器。
A-輸出電壓平均值計算模塊，簡稱均值計算模塊；B-輸出電壓平均值倒數(shù)計算模塊，簡稱倒數(shù)計算模塊；C-電壓PI控制器；D-電流PI控制器；E-脈寬調(diào)制模塊，簡稱PWM模塊F-第一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，簡稱第一A/D；G-第二模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，簡稱第二A/D；H-第三模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，簡稱第三A/D；I-第一乘法器；J-第二乘法器；K-第一比較器；L-第二比較器。
a-開始；b-系統(tǒng)初始化，即電壓參考值歸零，預(yù)定電壓參考值終值；c-檢測開關(guān)信號？d-增加電壓參考值；e-調(diào)用穩(wěn)壓子程序f-參考值＝預(yù)定值嗎？g-減少電壓參考值；h-參考值＝0？
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明一、軟啟停直流開關(guān)電源功能塊的選取1、EMI濾波器1EMI濾波器1選用型號ZJG2206M-P的EMI濾波器；2、不控整流2不控整流2選用KBL06整流模塊；3、DC/DC變換器3DC/DC變換器3采用的是升壓型DC/DC變換器，即Boost變換器，其中核心的功率MOSFET選用的是國際整流公司(簡稱IR公司)的IRF840；4、檢測調(diào)理電路4檢測調(diào)理電路4選用瑞士LEM公司的LV25-P和LA25-P分別作電壓和電流傳感器；5、驅(qū)動電路5驅(qū)動電路5采用的是IR公司的IR2117，這是一款高電壓高速度的功率MOSFET驅(qū)動芯片。
6、控制器6控制器6的CPU選用TI公司出產(chǎn)的型號為TMS320LF2407A的DSP，該款DSP內(nèi)部集成了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和PWM模塊。因此，利用這款DSP可以比較容易的實現(xiàn)圖2中控制器6所示的控制方案。
二、本程序流程包括，如圖5開始a；系統(tǒng)初始化，電壓參考值歸零，預(yù)定電壓參考值終值(簡稱預(yù)定值)b；檢測開關(guān)信號c，若是關(guān)就繼續(xù)檢測開關(guān)信號c，若是開就執(zhí)行軟啟動子程序；其中軟啟動子程序部分流程是；增加電壓參考值d，調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢驗開關(guān)信號c，若是關(guān)就轉(zhuǎn)到軟停止子程序，若是開就繼續(xù)后面程序；判斷參考值＝預(yù)定值f，若否就轉(zhuǎn)到增加電壓參考值d，若是就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢測開關(guān)信號c，若是關(guān)就轉(zhuǎn)到軟停止子程序，若是開就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，再次檢測開關(guān)信號c，若是關(guān)就轉(zhuǎn)到軟停止子程序，若是開就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，不斷循環(huán)。
其中軟停止子程序部分流程是減少電壓參考值g；調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢測開關(guān)信號c，若是開就轉(zhuǎn)到軟啟動子程序，若是關(guān)就繼續(xù)后面程序；判斷參考值＝0h，若否就轉(zhuǎn)到減少電壓參考值g，若是就就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢測開關(guān)信號c，若是開就轉(zhuǎn)到軟啟動子程序，若是關(guān)就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，再次檢測開關(guān)信號c，若是開就轉(zhuǎn)到軟啟動子程序，若是關(guān)就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，不斷循環(huán)。
其中穩(wěn)壓子程序就是按照在發(fā)明內(nèi)容中所述的控制器6各個模塊的連接關(guān)系編寫的子程序。
權(quán)利要求
1.一種軟啟停直流開關(guān)電源，包括EMI濾波器(1)、不控整流(2)、DC/DC變換器(3)、檢測調(diào)理電路(4)、驅(qū)動電路(5)、控制器(6)；EMI濾波器(1)、不控整流(2)、DC/DC變換器(3)依次開環(huán)連接；DC/DC變換器(3)、檢測調(diào)理電路(4)、控制器(6)、驅(qū)動電路(5)、DC/DC變換器(3)依次閉環(huán)連接；其特征在于所述的控制器6由均值計算模塊(A)、倒數(shù)計算模塊(B)、電壓PI控制器(C)、電流PI控制器(D)、PWM模塊(E)、第一A/D(F)、第二A/D(G)、第三A/D(H)、第一乘法器(I)、第二乘法器(J)、第一比較器(K)、第二比較器(L)組成；其連接關(guān)系是由第一A/D(F)得到的電源輸入電壓信號一路依次經(jīng)過均值計算模塊(A)、倒數(shù)計算模塊(B)得到輸入電壓前饋信號送至第一乘法器(I)，另一路直接送至第二乘法器(J)；由第三A/D(H)得到的輸出電壓信號送至第一比較器(K)，與參考值比較得到的差值送給電壓PI控制器(C)處理，之后電壓PI控制器(C)輸出信號至乘法器(I)；送至乘法器(I)的上述三路信號相乘后得到電流參考信號送至第二比較器(L)；由第二A/D(G)得到的輸入電流信號送至第二比較器(L)，與電流參考信號比較得到的差值送至電流PI控制器(D)處理，之后送至PWM模塊(E)；PWM模塊(E)輸出信號到驅(qū)動電路(5)。
2.一種軟啟停直流開關(guān)電源控制方法，其特征在于①在數(shù)字控制器上通過軟件設(shè)計在功率因數(shù)校正的程序中不斷改變輸出電壓參考值來實現(xiàn)軟啟停；②設(shè)置軟啟停曲線，Vref＝p*Vo其中，Vo為電源啟動完畢后期望的穩(wěn)定直流輸出值，即參考值終值；Vref為電壓參考值；0≤p≤1；③在軟啟動過程中，按照p上升曲線增加p，直到p等于1，從而實現(xiàn)電壓軟上升過程；在軟停止過程中，按照p下降曲線減小p，直到p等于0，從而實現(xiàn)電壓軟下降過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軟啟停直流開關(guān)電源及其控制方法，涉及一種直流開關(guān)電源及其控制方法。軟啟停直流開關(guān)電源包括EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3、檢測調(diào)理電路4、驅(qū)動電路5、控制器6；其中的控制器6由均值計算模塊A、倒數(shù)計算模塊B、電壓PI控制器C、電流PI控制器D、PWM模塊E、第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH、第一乘法器I、第二乘法器J、第一比較器K、第二比較器L組成。軟啟停直流開關(guān)電源控制方法是在數(shù)字控制器上通過軟件設(shè)計在功率因數(shù)校正的程序中不斷改變輸出電壓參考值來實現(xiàn)軟啟停。本發(fā)明通過CPU控制程序來實現(xiàn)對電源啟動和停止過程中浪涌電流的抑制，從而減少了額外損耗和成本；適用于所有數(shù)字化控制的直流開關(guān)電源。
文檔編號H02H9/04GK1885695SQ20061001918
公開日2006年12月27日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者劉開培, 曾光 申請人:武漢大學(xué)